鄭亞津，張宇馳

(1.上饒市水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，江西 上饒 334000；2.南昌經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū) 社會(huì)發(fā)展局，南昌 330013)

1 概 述

淺埋地層屬于隧洞工程不可避免的情況，其組成主要為破碎圍巖帶，質(zhì)地軟弱，屬不良地質(zhì)段。淺埋隧洞圍巖風(fēng)化破碎導(dǎo)致圍巖受力復(fù)雜。淺埋隧洞難以形成承載拱，且風(fēng)化帶、軟弱圍巖、地形偏壓等不利情況對(duì)隧洞開挖極為不利[1]。在隧洞開挖和完成后，變形會(huì)增加，如拱頂快速下沉、隧洞空間收縮、地面開裂等[2-3]。

本文通過數(shù)值分析軟件，針對(duì)引水隧洞工程的開挖進(jìn)行模擬，建立二維模型，模擬在開挖過程中圍巖的受力狀態(tài)，探究在開挖過程中隧洞圍巖應(yīng)力，水平、豎向位移隨著開挖進(jìn)度的相對(duì)應(yīng)的數(shù)值變化。同時(shí)，結(jié)合隧洞圍巖穩(wěn)定性理論，為隧洞開挖提供相應(yīng)的工程經(jīng)驗(yàn)。

2 淺埋隧洞圍巖穩(wěn)定性理論分析

2.1 淺埋隧洞劃分標(biāo)準(zhǔn)

《隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70-2-2014)考慮了等效荷載高度；確定淺埋隧洞分界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，還考慮了隧洞的施工方式與地質(zhì)條件。淺埋隧洞分界深度公式可依據(jù)等效荷載高度來判定：

Hp=(2～2.5)hp

(1)

式中：Hp為淺埋隧洞分界深度；hp為荷載等效高度。

hp=0.45×2S-1ω

(2)

式中：S為圍巖級(jí)別；ω為寬度影響系數(shù)。

ω=1+i(B-5)

(3)

式中：B為隧洞寬度；i為隧洞每變化1 m為參考的圍巖增加率。圍巖垂直壓力標(biāo)準(zhǔn)取隧洞寬5 m時(shí)圍巖壓力，B<5 m時(shí)，i為0.2；B>5 m時(shí)，i為0.1。

2.2 隧洞斷面劃分標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)際隧洞協(xié)會(huì)規(guī)定，小斷面隧洞凈空斷面積小于10 m2，中斷面隧洞凈空斷面積小于50 m2，大斷面隧洞凈空斷面積小于100 m2。日本隧洞協(xié)會(huì)規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)斷面開挖面積小于80 m2，大斷面開挖面面積小于120 m2，超大斷面開挖面積大于140 m2。而我國(guó)則根據(jù)開挖跨度小于6 m的隧洞定義為小斷面，6～1 m的定義為中斷面，大于10 m的定義為大斷面。

因此，我們認(rèn)為大斷面隧洞開挖跨度大于10 m。

2.3 淺埋大斷面隧洞力學(xué)特征

跨度大、埋深淺是大斷面隧洞普遍具有的特征，其外形也通常呈扁平拱狀。

2.3.1 應(yīng)力分布特征

受力分析對(duì)象為隧洞側(cè)面的三角形滑塊，將F定義為支護(hù)阻力合力，三角形豎邊與該力所成夾角為θ+φ，具體見圖1。

圖1 斷面應(yīng)力分布

根據(jù)靜力平衡可推出：

qhtanθ+G-Nsinθ-Tcosθ-Fcos(θ+φ)

Fsin(θ+φ)+Tsinθ-Ncosθ=0

(4)

隧洞圍巖在滑裂面上采用的本構(gòu)關(guān)系為摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則，公式如下：

T=Ntanφ+cl

(5)

式中：滑裂面長(zhǎng)為l=h/cosθ

將式(1)與式(2)聯(lián)立可得：

(6)

式中：三角形破裂體自重G=γh2tanθ/2。

Fx=Fsin(θ+φ)

sin(θ+φ)

(7)

若應(yīng)力在豎直方向分布均勻，則隧洞洞室沿深度的平均水平壓力計(jì)算公式如下：

(8)

2.3.2 應(yīng)力重分布特征(開挖后)

當(dāng)應(yīng)力重分布完成后，應(yīng)力多集中在隧洞腳底。由于拱頂穩(wěn)定性差，大斷面隧洞即使在圍巖條件較好時(shí)也會(huì)出現(xiàn)較大塑性變形，因此應(yīng)力重分布發(fā)展越發(fā)不利。

2.3.3 圍巖應(yīng)力分布特征(上部)

形成承載拱作用需要較大的埋深，而大斷面隧洞一般深度較淺，難以形成承載拱，在上部圍巖將產(chǎn)生松弛應(yīng)力，且應(yīng)力值較大。

3 算例分析

3.1 工程概況

某引水隧洞圍巖主要為V級(jí)、IV級(jí)，最大隧洞埋深為748 m，高程在1 485～1 543 m之間，相對(duì)高程57 m，主要地層為第四系沖洪積(Qal+pl)、第四系坡殘積(Qdl+el)層、白堊系上統(tǒng)勐野井組(K2me)巖層。黏土及粉砂質(zhì)泥巖分布在隧洞進(jìn)口。黏土狀態(tài)為可塑，粉質(zhì)砂巖屬?gòu)?qiáng)風(fēng)化，巖體為破碎狀土塊松散結(jié)構(gòu)，有豐富地表水，巖體內(nèi)構(gòu)造裂隙發(fā)育，淋雨或流出水現(xiàn)象在開挖時(shí)會(huì)出現(xiàn)。隧洞全長(zhǎng)5 567 m，襯砌斷面為r=5.5 m的單心圓，內(nèi)輪廓凈空寬11 m、高7.1 m，開挖半徑為6.2 m。初期支護(hù)中，錨桿長(zhǎng)度為3 m，間距為1.5 m，布置形式為梅花形。噴射混凝土厚度取250 mm，選用18工字鋼做鋼支撐，二次襯砌厚度為500 mm，二次襯砌與初期支護(hù)之間布設(shè)塑料防水板。

3.2 不同圍巖對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定性影響

3.2.1 計(jì)算模型

隧洞圍巖的分級(jí)所對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定性是不盡相同的，大斷面淺埋隧洞圍巖一般較軟弱，因此本文重點(diǎn)研究IV、V、VI級(jí)圍巖所對(duì)應(yīng)的隧洞圍巖穩(wěn)定性。

3.2.1.1 模型建立

以研究區(qū)域隧洞斷面作參考面建立相關(guān)模型，開挖隧洞采用上下臺(tái)階法，開挖寬度取12.2 m，高度取9.32 m，隧洞模型水平取值范圍考慮到消除邊界影響，需取開挖深度值的4倍，豎向取值范圍為從地表至開挖深度3.2倍。模型尺寸取100 m×64 m。模型水平移動(dòng)由左右邊界限制，豎向移動(dòng)由下邊界限制，自由面為上邊界。隧洞圍巖和襯砌采用實(shí)體單元。計(jì)算模型見圖2。

圖2 計(jì)算模型

3.2.1.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算所取參數(shù)來源于巖體分級(jí)參數(shù)和實(shí)測(cè)值，具體參數(shù)見表1。

表1 圍巖和支護(hù)力學(xué)指標(biāo)

3.2.1.3 施工模擬

1)上下臺(tái)階法。此工法先開挖隧洞上半面，當(dāng)開挖長(zhǎng)度達(dá)到一定后開始開挖下半面，具體施工步驟見圖3。

圖3 上下臺(tái)階法施工斷面圖

由于隧洞橫向尺寸遠(yuǎn)小于縱向尺寸，因此取每延米建立模型可以將三維問題轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎲栴}來處理。假設(shè)不考慮二襯條件，隧洞開挖步驟為：①初始應(yīng)力場(chǎng)平衡；②開挖上臺(tái)階；③上部支護(hù)，激活襯砌單元；④下臺(tái)階開挖；⑤下部支護(hù)，激活襯砌。

2)測(cè)點(diǎn)布置。隧洞截面特征點(diǎn)是監(jiān)測(cè)位移的測(cè)點(diǎn)，具體布置見圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.2.2 不同工況計(jì)算分析

3.2.2.1 圍巖位移

圖5為不同圍巖工況條件下位移監(jiān)測(cè)圖。圖5中監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)字編號(hào)對(duì)應(yīng)圖4中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，具體為1-拱頂、2-拱肩、3-拱腰、4-拱腳、5-拱底。

圖5 不同圍巖隧洞監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移

從圖5可看出，隧洞在開挖以后對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，土層由于卸載和自重應(yīng)力作用使隧洞整個(gè)輪廓圍巖都產(chǎn)生了豎向位移，拱頂、拱肩、拱腰處都產(chǎn)生了向下的位移，拱腳和拱底則產(chǎn)生了向上的位移。隧洞開挖時(shí)，水平位移多出現(xiàn)在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處。水平位移正向均為臨空一側(cè)。在相同工況下，隧洞產(chǎn)生的豎向位移大于水平位移。當(dāng)圍巖級(jí)別改變時(shí)，隧洞產(chǎn)生的豎向位移和水平位移也相應(yīng)發(fā)生變化。IV級(jí)圍巖隧洞產(chǎn)生的位移最小，VI級(jí)圍巖隧洞產(chǎn)生的位移最大。豎向位移中最大沉降發(fā)生在拱頂，為6.5 mm，最大隆起發(fā)生在拱底處，值為7.8 mm；水平位移最大發(fā)生在拱腳處，為3.6 mm。隨著圍巖級(jí)別變化，IV級(jí)圍巖更趨于穩(wěn)定，VI級(jí)圍巖更加不穩(wěn)定。因此，若隧洞經(jīng)過VI級(jí)圍巖時(shí)需注意加強(qiáng)支護(hù)，加密監(jiān)測(cè)頻率，保證隧洞穩(wěn)定。

3.2.2.2 地表沉降

圖6為不同工況地表沉降。從圖6可看出，隧洞圍巖產(chǎn)生的豎向位移是導(dǎo)致地面發(fā)生沉降的主要原因，地表沉降曲線與Peck沉降槽曲線相吻合。地面沉降在隧洞中心點(diǎn)上方為最大，達(dá)到3.58 mm，隨著距離隧洞中心點(diǎn)越遠(yuǎn)，地面沉降值越小。從圖6中還可看出，隨著圍巖等級(jí)的減少，地表沉降值也在逐漸增大，表明隧洞在穿越VI級(jí)隧洞時(shí)，要加強(qiáng)隧洞支護(hù)，嚴(yán)格監(jiān)測(cè)地表沉降值。

圖6 地表沉降

3.2.2.3 圍巖應(yīng)力

圖7為不同工況時(shí)圍巖的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力。從圖7中可看出，隧洞開挖導(dǎo)致隧洞頂部和底部圍巖應(yīng)力產(chǎn)生釋放，應(yīng)力則集中發(fā)生在拱頂、拱腰和拱底處。最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在隧洞拱頂處，為450 kPa；最小主應(yīng)力是拱底壓應(yīng)力，最大值為4.5 MPa。，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力也隨著圍巖等級(jí)減小相應(yīng)變小。IV級(jí)圍巖與V級(jí)圍巖差別不大，與VI級(jí)圍巖的應(yīng)力位移相比差別較大，所以VI級(jí)圍巖屬最不穩(wěn)定。隧洞穿越VI級(jí)圍巖時(shí)，需加強(qiáng)支護(hù)與監(jiān)測(cè)，保證隧洞的穩(wěn)定性。

圖7 圍巖應(yīng)力

4 結(jié) 論

隧洞圍巖等級(jí)降低將會(huì)導(dǎo)致圍巖最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力降低。通過圍巖工況對(duì)比可知，VI級(jí)圍巖最不穩(wěn)定，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，以保證其穩(wěn)定性。